基于單片機的智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計

劉 碩

（江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引 言

隨著世界現(xiàn)代化經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題逐漸惡化，其中水資源的處理更是成為了環(huán)境問題中的重要一項。水資源在人類生存發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用，不論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是人們的日常生活都離不開水資源，尤其水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對水質(zhì)有著更為苛刻的要求。但目前水質(zhì)檢測大多仍依靠傳統(tǒng)的化學滴定方法完成，而該方法精度較低且操作復(fù)雜，因此設(shè)計一套智能自動化水質(zhì)檢測系統(tǒng)尤為重要[1]。

水質(zhì)檢測需結(jié)合控制技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等，采用多種傳感器才能獲取pH值、氨氮值、重金屬含量等重要的水質(zhì)數(shù)據(jù)。文中基于便捷性、準確性等因素，借助單片機嵌入式微處理器與通信技術(shù)設(shè)計了一款智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)，通過上位機進行實時水質(zhì)檢測，從而提高水質(zhì)檢測的自動化水平與檢測效率[2]。

1 智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)整體設(shè)計

智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)主要以STM32單片機為系統(tǒng)的主控核心，通過與通信模塊、水質(zhì)傳感器等的有效結(jié)合，組成了一套智能化水質(zhì)檢測系統(tǒng)。STM32單片機作為主控單元，需要不斷對各類傳感器進行A/D采樣，并將采集的數(shù)據(jù)進行濾波、轉(zhuǎn)換等處理，之后再通過無線通信模塊將采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，便于工作人員實時掌握當前水域的水質(zhì)情況[3]。若當前水質(zhì)變化情況較大或者某一指標超標，可通過上位機及時傳遞報警信息。智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)框架

智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)主要分為兩部分。第一部分主要通過A/D模塊采集多個水質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，之后將輸出結(jié)果傳輸給顯示屏進行顯示；第二部分主要采用無線通信方式將檢測結(jié)果上傳給上位機，經(jīng)處理后將數(shù)據(jù)顯示在上位機界面，同時判斷水質(zhì)質(zhì)量，并繪制水質(zhì)變化圖。若水質(zhì)某項指標超過閾值則會通過上位機顯示。

2 智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

STM32F407系列芯片的工作頻率為168 MHz，通信接口為15個（包括USART、SPI、I2C、CAN、SDIO），含有2個12位DAC和3個12位ADC，以及17個定時器，是一款極具性價比的高性能微處理器。

水質(zhì)檢測需要檢測多項水質(zhì)內(nèi)容，因此水質(zhì)檢測對單片機運行速度要求較高。為保證數(shù)據(jù)采集的效率，文中選擇STM32F407ZET6作為智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)的主控芯片，實物如圖2所示。

圖2 STM32F407ZET6芯片

2.2 水濁度傳感器

通常，水中含有懸浮物和膠體物，例如無機物、土壤、浮游生物等，這些物質(zhì)會使水變得渾濁，影響溶質(zhì)分子對光的吸收以及懸浮物對光的散射[4]。散射光和透射光之比與濁度呈線性關(guān)系。當光通過時，對于一定量的水，水污染越嚴重，則透射的光越少。光接收端將光強度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，透射的光越多，電流就越大，反之電流越小。通過在接收端測量電流即可計算出水域的污染程度。濁度傳感器由IR958和PT958封裝的紅外對管組成，實物如圖3所示。

圖3 濁度傳感器

2.3 pH傳感器

溶液中氫離子的總數(shù)同總物質(zhì)的量的比值即為pH值。為了能夠?qū)H值進行較為精準、快速的測定[5]，本文選取了如圖4所示的具有效率高、無污染、數(shù)字化等特點的pH傳感器。

圖4 pH傳感器

pH傳感器的測量原理可理解為原電池系統(tǒng)，使化學能轉(zhuǎn)換為電能，電池的端電壓被稱為電極電位；電位由2個半電池構(gòu)成，其中一個稱為測量電極，測量時被測溶液與緩沖溶液中的氫離子相互交換產(chǎn)生電勢差，從而得到pH值。

2.4 溶解氧傳感器

溶解氧的含量與水的溫度和空氣中氧的分壓密切相關(guān)。作為衡量水體自凈能力的指標，溶解氧的含量也是影響水生物生存的重要因素。消耗水中的溶解氧，若水體花費較短時間便恢復(fù)至初始狀態(tài)，表明水體具有很強的自凈能力，或者水體污染不嚴重，否則，意味著水體被嚴重污染，自凈能力較弱，甚至喪失了自凈能力[6]。

溶解氧傳感器基于水中氧氣的氧化還原反應(yīng)將化學變化轉(zhuǎn)化為電能變化，以此測量水中的含氧量。含氧量數(shù)據(jù)經(jīng)單片機采集后，通過無線通信模塊上傳至上位機并顯示[7]。

2.5 氨氮傳感器

氨氮作為水中的營養(yǎng)元素，如果含量過高會致使水體富營養(yǎng)化，對魚類及某些水生生物有毒害，因此及時測量出水體中的氨氮含量尤為重要。氨氮傳感器可將氨氮含量轉(zhuǎn)化為電信號，并可將電信號放大后通過串口發(fā)送到單片機進行處理[8]。

2.6 其他水質(zhì)傳感器

除常規(guī)的pH值、水濁度、化學需氧量等參數(shù)外，綜合水質(zhì)檢測還包括總磷、硫化物、重金屬等內(nèi)容。為提高設(shè)備的便捷性，本系統(tǒng)只將常規(guī)的傳感器設(shè)計在系統(tǒng)中，如若需要測量某一特殊物質(zhì)的含量，可通過單片機的預(yù)留接口增加測量種類，使用方便。

3 水質(zhì)檢測軟件設(shè)計

通過傳感器采集水體中的pH值、水濁度、含氧值等主要水質(zhì)信息后，借助無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳到基于LabVIEW開發(fā)的上位機（通過電腦串口接收數(shù)據(jù)）[9]。在智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)中，上位機可以顯示水體當前pH值、水濁度、含氧值等信息，也可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，并判斷水質(zhì)情況，如是否超出測量范圍等。上位機還可以將一段時間內(nèi)測量的數(shù)據(jù)繪制成以時間為橫坐標的相關(guān)水質(zhì)參數(shù)變化曲線圖，為工作人員提供實時的水質(zhì)信息參考，提高工作人員的測量效率。水質(zhì)檢測系統(tǒng)上位機界面如圖5所示。

圖5 水質(zhì)檢測系統(tǒng)上位機界面

4 結(jié) 語

隨著水質(zhì)資源形勢的不斷惡化，人們對水資源的保護意識逐漸增強。文中利用單片機微控制處理器設(shè)計的智能水質(zhì)檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理，以及數(shù)據(jù)顯示、繪圖、報警等功能，不僅提高了水質(zhì)檢測的自動化程度，還提高了水質(zhì)檢測的效率與準確性。